【Java】JMM内存模型和JVM内存结构

程序员文章站 2022-05-18 23:02:47

JMM内存模型和JVM内存结构 JAVA内存模型(Java Memory Model) Java内存模型，一般指的是JDK 5 开始使用的新的内存模型，主要由 "JSR 133: JavaTM Memory Model and Thread Specification" 描述。就是一种符合内存模型 ......

jmm内存模型和jvm内存结构

java内存模型(java memory model)

java内存模型，一般指的是jdk 5 开始使用的新的内存模型，主要由jsr-133: javatm memory model and thread specification 描述。

jmm就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或者高速缓存进行读写访问的过程抽象，不同架构下的物理机拥有不一样的内存模型，java虚拟机也有自己的内存模型，即java内存模型（java memory model, jmm）。在c/c++语言中直接使用物理硬件和操作系统内存模型，导致不同平台下并发访问出错。而jmm的出现，能够屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现平台一致性，是的java程序能够“一次编写，到处运行”。

jmm主要解决的问题：解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题

缓存一致性问题其实就是可见性问题。
处理器优化是可以导致原子性问题
指令重排即会导致有序性问题

内存模型解决并发问题主要采用两种方式：限制处理器优化和使用内存屏障

参考:

jvm内存结构

传送门：java 虚拟机规范

hotspot 白皮书： memory management in the java hotspot virtual machine 它描述了垃圾回收(gc)触发的内存自动管理

其实 java 虚拟机的内存结构并不是官方的说法，在《java 虚拟机规范》中用的是「运行时数据区(run-time data areas)」这个术语

下图能很清晰的说明jvm内存结构布局：

【Java】JMM内存模型和JVM内存结构

jvm内存结构主要有三大块：

堆内存(heap)
方法区/永久代(method area/permgen) 或者别名non-heap(非堆)
栈(thraed...)

在《深入理解java虚拟机（第二版）》中的描述是下面这个样子的：

【Java】JMM内存模型和JVM内存结构

按照《java 虚拟机规范》的中所述，可以分为公有和私有两部分

公有部分: 堆[heap]、方法区[method area]、常量池[constant pool]
私有部分： pc寄存器、vm虚拟机栈、本地方法栈

各个区域的内存大小

通过一张图了解如何通过参数来控制各个区域的内存大小

【Java】JMM内存模型和JVM内存结构

参数说明：

-xms:设置堆的最小空间大小。

-xmx:设置堆的最大空间大小。

-xx:newsize设置新生代最小空间大小。

-xx:maxnewsize设置新生代最大空间大小。

-xx:permsize设置永久代最小空间大小。

-xx:maxpermsize设置永久代最大空间大小。

-xss:设置每个线程的堆栈大小。

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

java堆(heap)

java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建.

这块区域专门用于 java 实例对象和数组的内存分配，几乎所有实例对象都在会这里进行内存的分配

之所以说几乎是因为有特殊情况，有些时候小对象会直接在栈上进行分配，这种现象我们称之为「栈上分配」

java堆的内存划分

java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“gc堆”。

如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以java堆中还可以细分

主要被划分为：新生代「young generation」和老年代「old generation」

新生代「young generation」又可分为：eden、from survivor 0、to survivor 1

根据《java 虚拟机规范》的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-xmx和-xms控制）。

堆可以具有固定大小，或者可以根据计算的需要进行扩展，并且如果不需要更大的堆，则可以收缩。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出outofmemoryerror异常。

不同区域的生命周期

新建(new)或者短期对象会存放在eden区域
幸存或者中期的对象会从eden拷贝到survivor区域
始终存在的或者长期存在的对象将会从survivor拷贝到old generation

当有对象需要分配时，一个对象永远优先被分配在年轻代的 eden 区，等到 eden 区域内存不够时，java 虚拟机会启动垃圾回收。此时 eden 区中没有被引用的对象的内存就会被回收，而一些存活时间较长的对象则会进入到老年代。

在 jvm 中有一个名为 -xx:maxtenuringthreshold 的参数(默认为7)专门用来设置晋升到老年代所需要经历的 gc 次数，即在年轻代的对象经过了指定次数的 gc 后，将在下次 gc 时进入老年代

为什么 java 堆要进行这样一个区域划分呢

虚拟机中的对象必然有存活时间长的对象，也有存活时间短的对象，这是一个普遍存在的正态分布规律。如果我们将其混在一起，那么因为存活时间短的对象有很多，那么势必导致较为频繁的垃圾回收。而垃圾回收时不得不对所有内存都进行扫描，但其实有一部分对象，它们存活时间很长，对他们进行扫描完全是浪费时间。因此为了提高垃圾回收效率，分区就理所当然了

虚拟机heap space的默认配置为： eden：from ：to = 8:1:1

其实这是 ibm 公司根据大量统计得出的结果。根据 ibm 公司对对象存活时间的统计，他们发现 80% 的对象存活时间都很短。于是他们将 eden 区设置为年轻代的 80%，这样可以减少内存空间的浪费，提高内存空间利用率

方法区(method area)

方法区（method area）与java堆一样，是各个线程共享的内存区域,在虚拟机启动时创建。

它用于存储已被虚拟机加载的类结构，如：运行时常量池、静态变量、字段、和方法数据，即时编译器编译后的代码等数据，以及方法和构造函数的代码

java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

根据《java虚拟机规范的规定》，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出outofmemoryerror异常。

方法区在不同版本的虚拟机有不同的表现形式

例如在 1.7 版本的 hotspot 虚拟机中，方法区被称为永久代（permanent space），而在 jdk 1.8 中则被称之为 metaspace

拓展点

可以看到常量池其实是存放在方法区中的，但《java 虚拟机规范》将常量池和方法区放在同一个等级上

虽然《java虚拟机规范》把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做non-heap（非堆），目的应该是与java堆区分开来。

对于习惯在hotspot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（permanent generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为hotspot虚拟机的设计团队选择把gc分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

程序计数器(program counter register)

每个java虚拟机线程都有自己私有独立的 pc（程序计数器）寄存器。

它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在任何时候，每个java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。如果不是该方法 native，则pc寄存器包含当前正在执行的java虚拟机指令的地址。如果线程当前正在执行native方法，则java虚拟机pc 寄存器的值为undefined。

此内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何outofmemoryerror情况的区域

jvm栈(java virtual machine stacks)

与程序计数器一样，java虚拟机栈（java virtual machine stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同，与线程同时创建。

jvm stack存储帧(stack frame) [a java virtual machine stack stores frames]

jvm stack类似于传统语言的stack，例如c语言：它保存局部变量和部分结果，并在方法调用和返回中起作用。由于除了推送和弹出帧(frames)之外，永远不会直接操作java虚拟机堆栈（java virtual machine stack），因此帧(frames)可以是堆(heap)分配的。java虚拟机堆栈的内存不需要是连续的。

虚拟机栈(jvm stacks)描述的是java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（stack frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口以及一些过程结果等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnaddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*error异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的java虚拟机都可动态扩展，只不过java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出outofmemoryerror异常。

本地方法栈（native method stacks）

本地方法栈（native method stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以*实现它。甚至有的虚拟机（譬如sun hotspot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出*error和outofmemoryerror异常。